基于机械化学法构建MXene@PAA生物质膨胀型阻燃体系提升环氧树脂涂层的航空防火安全性

针对航空材料防火安全与生态可持续性需求，中国研究人员通过机械化学球磨法开发了MXene@PAA有机-无机纳米杂化材料，将其引入环氧树脂(EP)涂层构建膨胀型阻燃系统(IFRs)。该材料在仅4 wt%添加量下使EP涂层达到UL-94 V0级，热释放率(pHRR)降低77.85%，并显著提升炭层膨胀高度(0.5→3.6 cm)，同时兼具疏水除冰功能，为新一代航空防火材料提供了多功能解决方案。

　　

随着航空业快速发展，飞机火灾事故频发成为重大安全隐患。以济州岛飞机着陆事故为例，密闭机舱环境加剧了烟雾中毒风险，而目前广泛应用的环氧树脂(EP)涂层虽具优异机械性能，却存在易燃、烟雾毒性大等缺陷。更严峻的是，传统阻燃剂依赖不可再生资源且可能释放有毒气体，如植酸(PA)单独使用会加剧有害气体排放。如何开发兼具高效阻燃、抑烟减毒和环境友好特性的航空材料，成为亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，中国某高校研究团队在《Polymer Degradation and Stability》发表创新成果。研究人员创造性地采用机械化学球磨法，同步剥离多层MXene(m-MXene)并与生物质衍生的植酸铵(PAA)反应，构建了磷氮(P-N)修饰的单层MXene@PAA杂化材料。通过扫描电镜(SEM)、热重分析等技术表征证实，该材料具有层级结构和优异热稳定性。将其引入EP基体后，系统评估了涂层的阻燃性能、热屏蔽效应及疏水除冰功能，并通过残炭分析和热解产物检测揭示了阻燃机制。

关键技术包括：1) 机械化学球磨法(40Hz,12h)同步剥离m-MXene与PAA反应；2) 旋转蒸发(60rad/min,90°C)制备MXene@PAA；3) 锥形量热、极限氧指数(LOI)等测试阻燃性能；4) 红外热成像分析热屏蔽效果。

【材料制备与表征】
通过酸性腐蚀Ti₃
AlC₂
获得m-MXene，SEM显示其层间距扩大(图2b)。球磨后MXene@PAA呈现单层结构(图2c)，X射线衍射证实PAA成功修饰MXene表面。

【阻燃性能】
EP-4MXene@PAA样品表现突出：LOI达32.8%，UL-94 V0级；pHRR降低77.85%，总热释放(THR)下降38.81%；CO/CO₂
峰值释放量分别减少77.71%和77.52%。残炭质量增加63.96%，膨胀高度从0.5cm增至3.6cm，形成致密隔热层。

【多功能特性】
除阻燃外，MXene@PAA赋予涂层优异热屏蔽性能，红外图像显示表面温度降低约100°C。疏水角测试表明，涂层表面冰层融化速度显著加快，提升飞行安全系数。

该研究通过创新性的机械化学策略，成功将生物质阻燃剂与二维材料优势结合。MXene@PAA在EP基质中同时发挥气相(捕捉自由基)和凝聚相(催化成炭)阻燃作用，其层级结构促进形成膨胀炭层，有效隔绝热量和氧气。特别值得注意的是，该材料在极低添加量(4wt%)下实现多重功能整合，突破了传统阻燃剂高添加量导致机械性能下降的瓶颈。研究成果为开发下一代航空防火材料提供了新思路，同时机械化学法的绿色高效特性也为纳米材料规模化生产指明方向。作者团队建议未来可进一步探索MXene@PAA在其他聚合物基体中的应用潜力。